什么是肖特基二极管?肖特基二极管的工作原理和作用

描述

一提到低功耗、大电流、超高速的半导体器件,很多电子爱好者和电子工程师首先想到的是肖特基二极管。但你真的知道怎么使用肖特基二极管吗?与其他二极管相比,肖特基二极管有什么特别的地方?这篇文章我将会为大家解决这些问题,并且详细介绍肖特基二极管。

PART1

什么是肖特基二极管?

肖特基二极管定义

肖特基二极管,也被称为热载流子二极管,是一种具有低正向压降和非常快速的开关动作的半导体二极管。当电流流过肖特基二极管时,肖特基二级管端子上有一个小的电压降。普通二极管的电压压降在0.6V-1.7V之间,而肖特基二极管的电压降通常在0.15V-0.45V之间。

这种较低的电压降提供了更好的系统效率和更高的开关速度。在肖特基二极管中,半导体和金属之间形成了一个半导体-金属结,从而形成了肖特基势垒。N型半导体作为阴极,金属侧作为二极管的阳极。这种肖特基势垒导致低正向电压降和非常快速的开关。

整流器

肖特极二极管电路符号

肖特基二极管内部结构

肖特基二极管是通过将掺杂的半导体区域(通常是N型)与金属(例如金、银、铂)连接起来而形成的。不是PN结,而是金属-半导体,如下图所示。

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肖特基二极管结构图

肖特基二极管的等效电路

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肖特基二极管的等效电路

PART2

肖特基二极管工作原理

当金属与N型半导体结合时,形成MS结。这个结被称为肖特基势垒。肖特基势垒的行为会有所不同,具体取决于二极管是处于无偏置、正向偏置还是反向偏置状态。

无偏置肖特基二极管

当金属与N型半导体结合时,N型半导体中的导带电子(自由电子)会从N型半导体向金属移动,建立平衡态。

我们知道,当一个中性原子 失去一个电子时,它变成一个正离子,当一个中性原子获得一个额外的电子时,它变成一个负离子。

穿过结的导带电子或自由电子将为金属中的原子提供额外的电子。结果,金属结处的原子获得了额外的电子,而N侧结处的原子失去了电子。

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无偏置肖特基二极管

在N侧结失去电子的原子将成为正离子,而在金属结获得额外电子的原子将成为负离子。因此,正离子在N侧结处产生,而负离子在金属结处产生。这些正离子和负离子只不过是耗尽区。

由于金属具有大量自由电子,因此这些电子移动到金属中的宽度与N型半导体内部的宽度相比可以忽略不计。所以内建电位或内建电压主要存在于N型半导体内部。内建电压是N型半导体的导带电子在试图进入金属时所看到的势垒。

为了克服这个障碍,自由电子需要比内建电压更大的能量。在无偏置肖特基二极管中,只有少量电子会从N型半导体流向金属。内置电压可防止电子进一步从半导体导带流入金属。自由电子从N型半导体转移到金属中导致接触附近的能带弯曲。

正向偏置肖特基二极管

如果电池正极接金属,负极接N型半导体,则称肖特基二极管正向偏置。

当向肖特基二极管施加正向偏压时,在N型半导体和金属中产生大量自由电子。然而,N型半导体和金属中的自由电子不能穿过结,除非施加的电压大于0.2伏。

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正向偏置肖特基二极管

如果施加的电压大于 0.2 伏,则自由电子获得足够的能量并克服耗尽区的内建电压。结果,电流开始流过肖特基二极管。如果不断增加外加电压,耗尽区会变得很薄,最终消失。

反向偏置肖特基二极管

如果电池负极接金属,正极接N型半导体,则称肖特基二极管反向偏置。

当向肖特基二极管施加反向偏置电压时,耗尽宽度增加。结果电流停止流动。由于金属中的热激发电子,会产生少量的漏电流。

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反向偏置肖特基二极管

如果反向偏压持续增加,则由于势垒较弱,电流逐渐增加。

如果反向偏压大幅增加,则电流会突然上升。电流的这种突然上升会导致耗尽区损坏,这可能会永久损坏器件。

肖特基势垒二极管的VI特性

从 VI 特性可以看出,肖特基势垒二极管的 VI 特性与普通 PN 结二极管相似,但还是存在以下不同。

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肖特基势垒二极管的VI特性

肖特基势垒二极管的正向压降比普通的PN结二极管低。由硅制成的肖特基势垒二极管的正向压降呈现出 0.3 伏至 0.5 伏得正向压降。

正向压降随着n型半导体掺杂浓度的增加而增加。由于载流子的高度集中,肖特基势垒二极管的 VI 特性比普通 PN 结二极管的 VI 特性更陡峭。

PART3

肖特基二极管的优缺点

优点

低正向导通压降

肖特基二极管的导通电压在硅二极管的0.2V-0.3V之间,而而标准硅二极管的导通电压在 0.6 到 0.7 伏之间。这使得它具有与锗二极管非常相同的开启电压。

快速恢复时间

由于存储电荷量少,恢复时间快,这意味着它可以用于高速开关应用。

低结电容

鉴于非常小的有源区域,通常由于在硅上使用线点接触,电容水平非常小。

高电流密度

肖特基二极管的耗尽区可以忽略不计。所以施加很小的电压就足以产生大电流。

噪音更小

与典型的PN结二极管相比,肖特基二极管产生的不需要的噪声更少。

性能更好

肖特基二极管将消耗更少的功率,可以轻松满足低压应用的要求。

缺点

较高反向电流

由于肖特基二极管是金属半导体结构,反接电压时更容易漏电流。

较低最大反向电压

反向电压是当电压反向连接(从阴极到阳极)时二极管将击穿并开始传导大量电流的电压。这意味着肖特基二极管在不击穿和传导大量电流的情况下无法承受很大的反向电压。甚至在达到这个最大反向值之前,它仍然会泄漏少量电流。

PART4

肖特基二极管的特别之处

就像我们前面所说的一样,肖特基二极管的外观和性能与普通二极管非常相似,但肖特基二极管的一个独特特性是其极低的压降和高开关速度。为了更好地理解这一点,让我们将肖特基二极管和通用二极管连接到相同的电路并检查其性能。

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在上图中,我们有两个电路,一个是肖特基二极管,另一个是典型的 PN 结二极管。

这些电路将用于区分两个二极管中的电压降。左边电路是肖特基二极管,右边是典型的PN结二极管。

两个二极管均采用 5V 供电。当电流从两个二极管流过时,肖特基二极管只有 0.3 伏的压降,为负载留下 4.7 伏,另一方面,典型的 PN 结二极管的压降为 0.7 伏,为负载留下 4.3 伏。

所以肖特基二极管的压降比传统的PN结二极管要低。下图为PN结二极管和肖特基二极管的一些区别。

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PN结二极管和肖特基二极管的区别

PART5

肖特基二极管作用与应用

肖特基二极管具多有用的应用,从整流、信号调节、开关、电压钳位、太阳能电池到 TTL 和 CMOS 逻辑门,主要是因为它们的低功耗和快速开关速度。TTL 肖特基逻辑门由出现在其逻辑门电路代码中某处的字母 LS 标识。

射频混频器和检波二极管

肖特基二极管因其高开关速度和高频率能力而在射频应用中独树一帜。鉴于此,肖特基势垒二极管用于许多高性能二极管环形混频器。除此之外,它们的低开启电压和高频能力以及低电容使它们成为射频检测器的理想选择。

功率整流器

肖特基势垒二极管也用于大功率应用中,作为整流器。它们的高电流密度和低正向压降意味着与使用普通 PN 结二极管相比,浪费的功率更少。这种效率的提高意味着需要消散的热量更少,并且可以在设计中加入更小的散热器。

电源或电路

肖特基二极管可用于负载由两个独立电源驱动的应用。一个示例可以是主电源和电池电源。在这些情况下,一个电源的电源不能进入另一个电源是必要的。这可以使用二极管来实现。然而,重要的是要最小化二极管上的任何电压降以确保最大效率。

与许多其他应用一样,鉴于其低正向压降,该二极管非常适合此应用。肖特基二极管往往具有较高的反向漏电流。这可能导致任何可能正在使用的传感电路出现问题。进入高阻抗电路的泄漏路径会导致错误读数。因此,这必须在电路设计中加以考虑。

电压钳位/削波电路

限幅器电路和钳位器电路通常用于波形整形应用。具有低压降特性的肖特基二极管可用作钳位二极管。

反向电流和放电保护

众所周知,肖特基二极管也被称为阻塞二极管,因为它阻止电流反向流动;可用作放电保护。例如,在应急闪光灯中,在超级电容器和直流电机之间使用了一个肖特基二极管,以防止超级电容器通过直流电机放电。

采样保持电路

正向偏置肖特基二极管没有任何少数电荷载流子,因此,它们可以比典型的 PN 结二极管更快地切换。因此使用肖特基二极管是因为它们从采样到保持步骤的转换时间较短,这会在输出端产生更准确的采样。

太阳能电池

肖特基二极管可以帮助最大限度地提高太阳能电池的效率,因为它们具有低正向电压降。它们还有助于保护电池免受反向充电。

审核编辑:汤梓红

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